Université de Sherbrooke
ÉTUDE DES RÉSONANCES ÉLECTRONIQUES ET LEUR
SECTION EFFICACE DE DÉCROISSANCE DANS LES ÉTATS
ÉLECTRONIQUES ET VIBRATIONNELS DES BASES DE
L'ADN PAR PERTES D'ÉNERGIES D'ÉLECTRONS DE FAIBLE
ÉNERGIE
par
Pierre
L.
LÉVESQUE
Département de Médecine Nucléaire et Radiobiologie
Thèse présentée à la Faculté de médecine en vue de l'obtention du grade de philosophiae doctor (Ph.D.) en Radiobiologie
Janvier 2005
l+I
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Une seule certitude suffit à celui qui cherche. -Albert Camus, Le mythe de Sisyphe
Cette thèse, qui incorpore des articles scientifiques, comprend la majeure partie de mes travaux pendant mon inscription au programme de doctorat en Radiobiologie. J'ai rédigé entièrement la première version des quatre articles et des modèles présentés qui ont ensuite été revus par Monsieur Marc Michaud et le Professeur Léon Sanche. Pour ces articles, la totalité des résultats proviennent de mon travail expérimental, à l'exception des excitations électroniques de la thymine, où j'ai formé un stagiaire postdoctoral sur le spectromètre d'électrons qui a fait, dans le cadre de sa formation, approximativement 25% des mesures. L'idée et le schéma de base du système de déposition en deux étapes viennent de Monsieur Marc Michaud. Je l'ai ensuite développé et adapté au système existant. Tous les articles sont inclus avec l'accord de tous les coauteurs.
Table des matières
Table des matières
---
iListe des figures _________________________ iii
Liste des tableaux
---
ivListe des sigles, abréviations et symboles ________________ V
RÉSUMÉ
---Chapitre 1. Introduction ____________________ 1-1
A. Mise en contexte 1-1
1. Les radiations dans un contexte général 1-1
2. Dégradation en énergie de l'électron 1-3
3. La diffusion d'un électron 1-6
a) Processus résonant 1-6
b) Processus non-résonant 1-9
4. Les sections efficaces 1-10
5. Dans le contexte radiobiologique (1 'ADN). 1-13
B. Position du problème 1-15
1. Le projet de recherche 1-15
Chapitre 2. Pré-discussion et liens entre les articles __________ 2-1
A. Construction du système de déposition (Article I) 2-1 B. Modèle de mesure des sections efficaces - la pyrimidine (Article Il) 2-2 C. Mesure sur la thymine (Articles III et IV) 2-5
Chapitre 3. Article I
Double sublimation system to deposit molecules /rom solid organic compounds
onto a cryogenic substrate: Thymine on solid argon 3-1
Chapitre 4. Article II
Absolute vibrational and electronic cross sections for low-energy electron (2-12
e
11
scattering /rom condensed pyrimidine 4-1Chapitre 5. Article III
Cross sections for low energy (1-12 e
11
inelastic electron scattering /romChapitre 6. Article IV
Absolute electronic excitation cross sections for low-energy electron (5 -12 eV)
scattering /rom condensed thymine 6-1
Chapitre
7.
Discussions générales ________________ 7-1A. Système de déposition de solide moléculaire 7-1
B. L'analyse spectroscopique 7-4
C. Le modèle pour la mesure des SEs 7-8
1. Mesure de la densité de surface 7-8
2. Modèle 7-12
D. Les Sections efficaces 7-14
E. Lesrésonances _______________________ 7-16
Chapitre 8. Conclusions ____________________ 8-1
A. Apport original à l'état des connaissances actuelles. 8-1
1. Système de déposition 8-1
2. Étude spectroscopique 8-1
3. Méthode de calibration d'épaisseur 8-2
4. Méthode de mesure des SEs 8-2
5. SEs 8-2
6. Résonances 8-3
B. Conclusion générale _____________________ 8-3
C. Perspertives 8-4
Remerciements--- 8-6 Annexe A Plans du système de déposition ______________ A-1
Annexe B Contrôleur de température B-1
A. Description générale: B-1
B. Ajustements et calibrations : B-3
Listes
Liste des figures
Figure 1-1 Processus de dégradation de l'énergie d'une radiation de haute énergie. 1-4
Figure 1-2 Spectre en énergie des électrons éjectés par un électron primaire de 20 ke V. 1-5
Figure 3-1 Schéma du système de sublimation. 3-5
Figure 3-2 Peiformance du four primaire. 3-9
Figure 3-3 Taux de sublimation du four primaire en fonction de la température. 3-11
Figure 3-4 Taux de sublimation du four secondaire en fonction du temps. 3-13
Figure 3-5 Dégazage du N2. 3-15
Figure 3-6 Pertes d'énergie sans déposition 3-17
Figure 3-7 Vibrations de la thymine. 3-19
Figure 4-1 Calibration du courant différentiel effectif. 4-13
Figure 4-2 Vibrations de la pyrimidine. 4-16
Figure 4-3 Excitations électroniques de la pyrimidine. 4-20
Figure 4-4 Sections efficaces des vibrations de la pyrimidine. 4-26
Figure 5-1 Vibrations de la thymine. 5-11
Figure 5-2 Sections efficaces des vibrations de la thymine. 5-12
Figure 6-1 Excitations électronique de la thymine avec l'épaisseur. 6-10
Figure 6-2 Excitations électroniques de la thymine. 6-15
Figure 6-3 Sections efficaces des excitations électroniques de la thymine. 6-17
Figure 7-1 Vues du spectromètre d'électron et du doigt lors de la déposition. 7-2
Figure 7-2 Représentation schématique des molécules pyrimidine et thymine. 7-5
Figure 7-3 Spectre de pertes d'énergie de la pyrimidine. 7-8
Figure 7-4 Courbes de transmission des EBE pour la pyrimidine sur un substrat de platine._ 7-10
Figure 7-5 Intensité spéculaire del 'argon pour plusieurs recouvrement de thymine. ____ 7-11
Figure 7-6 Spectres de perte d'énergie en fonction de l'angule. 7-13
Figure 7-7 Rapport de SEs. 7-17
Figure B-2 Boîte de contrôle; a) vue avant; b) vue arrière ______________ B-3
Figure B-3 Circuit du contrôleur du four de purification B-7
Liste des tableaux
Tableau 4-1 Niveaux d'énergie vibrationnel de la pyrimidine. ____________ 4-17
Tableau 4-2 Niveaux d'excitations électroniques de la pyrimidine. 4-21
Tableau 4-3 Sections efficaces des vibrations de la pyrimidine. 4-25
Tableau 4-4 Sections efficaces des excitations électroniques de la pyrimidine. 4-25
Tableau 6-1 Niveaux d'excitations électroniques de la thymine. 6-11
Tableau 6-2 Sections efficaces des excitations électroniques de la thymine. 6-16
Tableau 7-1 États singulets excité de la thymine et de la pyrimidine. 7-6
Listes
Liste des sigles, abréviations et symboles
EBE EEL eV HREEL LPM MO SE A T THF
c
Gu
EoIo
cr00
Électron( s) de basse énergie
Énergie perdue des électrons (Electron Energy Loss). Électron-volt (
=
1.6 x
10-
19 joule);meV (10-3 eV); keV (103 eV); MeV (106 eV).
Spectrométrie électronique à haute résolution (High Resolution Electron Energy Loss).
Libre parcours moyen
Orbitale moléculaire (Molecular Orbital). Section efficace Adénine Thymine Thétrahydrofurane Cytosine Guanine Uracile
Énergie incidente des électrons
Courant d'électrons incident sur la cible Section efficace
Angle d'incidence du faisceau d'électrons par rapport à la normale de la cible.
Angle de détection du faisceau d'électrons diffusé par rapport à la normale de la cible.
ÉTUDE DES RÉSONANCES ÉLECTRONIQUES ET LEUR SECTION EFFICACE DE DÉCROISSANCE DANS LES ÉTATS ÉLECTRONIQUES ET VIBRATIONNELS DES BASES DE L'ADN PAR PERTES D'ÉNERGIES D'ÉLECTRONS DE FAIBLE ÉNERGIE
Pierre L. LÉVESQUE
Thèse présentée à la Faculté de médecine en vue de l'obtention du grade de philosophiae doctor (Ph.D.) en radiobiologie
Département de radiobiologie et médecine nucléaire, Faculté de médecine, Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Québec, Canada
Cette thèse est une étude des probabilités d'interactions (sections efficaces) entre des molécules simples d'intérêt biologique et des électrons secondaires formés par le rayonnement ionisant. Les mesures sont faites à l'aide d'un spectromètre d'électrons par pertes d'énergie. La thèse comprend quatre articles qui exposent à divers degrés les trois grandes étapes dans la réalisation de ce projet. L 'Article I traite d'un appareil que j'ai conçu et réalisé en collaboration pour déposer en couches minces les bases d'ADN et certains nucléotides sur une substrat cryogénique. C'est le seul système connu permettant, dans des conditions de cryogénie et d'hypervide, de sublimer des molécules sans déplacer le substrat et sans contaminer le vide et les appareils environnants. L' Article II concerne essentiellement l'élaboration d'un modèle que j'ai développé en collaboration et appliqué sur la pyrimidine (une molécule prototype aux bases de l'ADN) pour mesurer les sections efficaces dans des conditions de collisions simples. Le modèle est ensuite appliqué dans les
Articles III et IV aux excitations vibrationnelles puis électroniques de la thymine. L'Article III traite aussi d'une nouvelle méthode, que j'ai développée, pour mesurer la densité des molécules déposées sur une surface. De plus, nous avons localisé par spectrométrie électronique plusieurs excitation d'états triplets jusqu'alors non identifiés pour chacune des deux molécules. La dépendance en énergie des sections efficaces nous a également permis d'identifier et de localiser en énergie plusieurs mécanismes de diffusion résonantes d'électron.
L'étude spectroscopique nous a permis de raffiner notre compréhension des structures vibrationnelle et électronique de la pyrimidine et de la thymine. Les sections efficaces sont, quant à elles, très prisées par les théoriciens. Elles vont permettre de modéliser la distribution de l'énergie déposée dans le milieu biologique notamment au niveau du noyau cellulaire et ainsi permettre de développer des stratégies radiothérapeutiques plus efficaces.
Mots clefs (5):
Sections efficaces, Pyrimidine, Thymine, Électrons secondaires, ADN PACS: 34.80.Gs; 61.82.Pv; 79.20.Uv; 61.85.+p; 87.14.Gg; 87.15.-v
A.
Mise en contexte1. Les radiations dans un contexte général
Lorsque des particules énergétiques, telles que des électrons, ions, nucléons et même des photons avec une énergie supérieure à quelques dizaines d'électronvolts, passent dans la matière en phase gazeuse, elles induisent principalement des ionisations, des excitations électroniques, ainsi que des excitations vibrationnelles et rotationnelles. Dans la phase condensée, les excitations rotationnelles n'existent plus, des excitations collectives feront cependant leur apparition. La pulvérisation et les déplacements atomiques doivent également être ajoutés. Les ions et les espèces excitées ainsi produits entrent rapidement dans une série de réactions en chaîne où elles se décomposent ou entrent en collision avec les molécules environnantes, puis graduellement se stabilisent en énergie et dans l'espace jusqu'à ce qu'elles soient thermalisées. Conséquemment, la matière ainsi parvenue à l'équilibre est souvent très différente en énergie, dans la distribution spatiale de ses molécules et dans la variété des nouvelles espèces formées, de l'état initial avant le passage de la radiation. Chacune des étapes de cette série d'événements résultants du passage de la radiation contient une variété de problèmes étudiés par un grand nombre de disciplines en sciences naturelles et génie, incluant la physique, la chimie, la biologie (qui sont regroupées en radiobiologie), puis la science des matériaux et même la micro/ nanoélectronique.
Chapitre 1 - Introduction
Étant donné le grand nombre d'interactions et de réactions possibles, l'étude des radiations et de leurs effets sur la matière devient en général rapidement complexe. Plusieurs stratégies s'imposent. Le problème peut d'abord être simplifié en classifiant le processus en deux points de vue : classe (i); le sort de la particule incidente (i.e. comment elle perd son énergie) et classe (ii); les conséquences du passage de la particule dans la matière (i.e. comment la matière réagit). Pour répondre à ces questions la cinétique du transport est un outil puissant, conjointement avec la dynamique de dégradation et les sections efficaces (SEs) de collision.
La dégradation en énergie des particules de haute énergie est bien connue et souvent prévisible théoriquement. Dans sa fameuse théorie du pouvoir d'arrêt, Bethe (1930) a utilisé un théorème (règle de somme) qui stipule qu'une certaine moyenne de transfert d'énergie d'une particule à une matière donnée est en effet indépendante de la structure électronique de cette matière. Conséquemment, plusieurs des problèmes de classe (i) sont depuis longtemps résolus, de plus la plupart des techniques actuelles sont basées sur les connaissances de ce problème [INOKUTI, 1983]. Nous avons qu'à penser à l'imagerie par rayonX, au Gamma knife, à la thérapie par proton, etc ...
Bien que ce qui arrive à la particule incidente de haute énergie est assez bien connu, ce qui arrive au milieu qui reçoit l'énergie l'est moins. Le problème de classe (ii) est beaucoup plus complexe.
Une des approches est d'en décortiquer les effets sur l'échelle de temps et d'étudier dans un premier temps les effets les plus importants.
Toutes les radiations ionisantes X,
y,
protons, ions, ... et même les neutrons génèrent plusieurs électrons énergétiques qui, à leur tour, vont interagir avec la matière. L'énergie effective fournie à la matière par ces électrons est toujours non-négligeable [INOKUTI, 1983]. Ils sont donc un élément clé du problème de classe (ii) car une compréhension complète du processus de dégradation de l'énergie des autres particules requiert l'étude de la dégradation en énergie des électrons. Pour cela, il est essentiel d'étudier en détail ces processus.2.
Dégradation en énergie de l'électronLa Figure 1-1 schématise les principales étapes de la dégradation de l'énergie dans le temps et la réaction du milieu suivant le passage d'un électron de haute énergie. La première étape est l'étape physique qui arrive vers 10-15 seconde. Dans cette période, l'électron produit principalement de l'ionisation et des excitations électroniques (c'est aussi le cas pour toutes les particules de haute énergie). Vient ensuite l'étape physico-chimique vers 10-13 seconde. Au début de cette étape, l'électron incident a perdu la majeure partie de son énergie cinétique qui est maintenant comparable à celles des électrons secondaires formés lors de l'ionisation. À ces énergies les électrons sont très efficaces pour former des résonances électroniques et pour exciter des états vibrationnels et rotationnels ou collectifs. Dans l'étape physico-chimique, la recombinaison d'ions et les réactions atomiques et moléculaires ion-neutre ont lieu dans une région spatiale limitée le long du parcours de la particule incidente. Vers la fin de cette période, l'électron devient thermalisé et peut former un électron solvaté dans les milieux polaires. Vers 10-11 seconde, l'étape chimique débute, dans laquelle une série de réactions
Chapitre 1 - Introduction
chimiques commence à diffuser spatialement, impliquant des molécules de plusieurs espèces et causant souvent des changements structuraux drastiques dans les milieux hétérogènes. Dans les systèmes biologiques, l'étape biologique suit, avec une échelle de temps allant de quelques millisecondes pour l'activation de récepteurs à plusieurs année avant de voir apparaître des signes phy iologiques comme le vieillissement prématuré des tissus. En radiobiologie, nous pouvons ajouter l'étape de l'application qui ne prend souvent que quelques minutes à imaginer mais souvent plusieurs année à réaliser!
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ionisations résanan.c es Applications
réactions réactiODs
ion-nmtre radical.ires réactions chimiques r~on1e1 biolopques
Figure 1-1 Illu tration schématique des principaux processus impliqués dans la
dégradation de l'énergie d' une radiation de haute énergie pénétrant la matière.
Dans cette cascade d'événements, comprendre ce qui se produit dans les étapes initiales est essentiel à la compréhension des étapes subséquentes. Par exemple, du point de vue d'un chimiste des radiations, le passage d'une radiation de haute énergie laissera un profil hétérogène d'énergie déposée le long de sa trace et ce profil variera selon le type de radiation. Le type ainsi que la concentration d'e pèces chimiques formées dépendront de la densité d'énergie déposée par unité
de volume et toute la chimie qui en découlera dépendra de la distribution spatiale de ces espèces chimiques [COB UT et al., 1998; FONGILLO et al., 1998]. Il est donc aisé de comprendre que les phénomènes impliqués et les produits formés dans une étape sont les conditions initiales des étapes subséquentes.
Un des principaux produits formés dans le processus primaire de l'étape physique est l'électron secondaire. En effet, l'ionisation ainsi que certains canaux de relaxation des états électroniques excités, amènent la libération d'un très grand nombre de ces électrons. Par exemple, un électron de 1 MeV dans l'eau liquide générera -40 000 électrons secondaires dont plus de 80% ont une énergie inférieure à 20 eV. C'est par ces derniers que la majeure partie de l'énergie sera déposée dans la matière [LA VERNE et PIMBLOTT, 1995].
0.25 .
-~ 0.20 -~
~.è
0~
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~
~""'"
..
0 ~ 0.05 IOEnergy (eV)
Figure 1-2 Spectre en énergie des électrons éjectés par un électron primaire
de 20 keV d'énergie initiale dans l'eau liquide. -triangles inversés- électrons éjectés par l'électron primaire seulement; -cercles- électrons éjectés par l'électron primaire et toutes les générations d'électrons secondaires. Reproduit de [COBUT et al., 1998].
Chapitre 1 - Introduction
La distribution de ces électrons est présentée à la Figure 1-2 selon une simulation Monte Carlo de COBUT (1998). Il est donc essentiel de connaître les interactions possibles de ces derniers et leurs probabilités d'interactions pour être en mesure de prévoir leurs distributions spatiales et énergétiques suite au passage de la radiation.
3.
La diffusion d'un électronPour bien comprendre la physique derrière les mécanismes qui influencent les probabilités de diffusion de l'électron, les processus d'interaction entre électrons et molécules se divisent généralement en deux catégories: résonants et non-résonants (ou directs). Tous les processus inélastiques peuvent procéder par ces deux mécanismes. Les processus résonants augmentent souvent la probabilité d'interaction des processus inélastiques et sont spécifiques à une énergie donnée. Les processus directs sont favorisés à plus haute énergie, et montrent généralement peu de dépendance ou une très lente variation avec l'énergie incidente [SCHULZ, 1979].
a) Processus résonants
L'importance de ces électrons de basse énergie (EBE) vient certainement de leur abondance, mais surtout de la possibilité qu'ils forment des ions négatifs transitoires
(i.e.,
des résonances). Une résonance est caractérisée par le fait qu'un électron diffusant réside dans le voisinage d'une molécule cible pendant un temps considérablement supérieur au temps usuel de diffusion non résonante [SANCHE, 1995; MICHAUD et al., 2003]. Ce phénomène peut être expliqué par le fait que l'électron est capturé temporairement par une orbitale moléculaire. Ces interactionspeuvent mener à la fragmentation moléculaire et à la production d'ions, de radicaux libres et de dommages chimiques [MASSEY, 1976]. De plus, dans la gamme d'énergie où les électrons secondaires sont les plus abondants (<20 eV), les résonances peuvent dominer la diffusion électron-molécule [SCHULZ, 1979; SANCHE, 1995].
Le mécanisme caractérise le type de résonance. Il y a deux principaux types de résonances : les résonances de forme et les résonances à cœur excité. La résonance de forme, comme son nom l'indique, est le piégeage de l'électron additionnel par la forme du potentiel électron-molécule. Dans ce cas, le potentiel effectif forme une barrière due à la contribution du potentiel centrifuge. Si il existe un état accessible de l'autre côté de la barrière l'électron incident peut être transmis par effet tunnel à travers cette barrière de potentiel et être piégé par celle-ci. Si aucun état existe, l'électron sera simplement diffusé de façon non résonante. La résonance à cœur excité se produit lorsque l'électron incident excite électroniquement la molécule cible tout en occupant une orbitale précédemment inoccupée. Ce dernier type de résonance est aussi désigné par l'expression «résonance à deux particules, un trou». En effet, l'anion transitoire est représenté comme un noyau positif possédant un trou et liant deux électrons dans des orbitales précédemment inoccupées. Une résonance à coeur excité peut se produire à une énergie supérieure ou inférieure à l'énergie du premier état électronique excité (E*) de la molécule cible. Lorsque la résonance se produit à une énergie inférieure à celle de l'état parent (ER< E*), elle est qualifiée de résonance de type Feshbach.
Une résonance peut évoluer selon différents canaux de décroissance [SANCHE, 1995]. D'abord, l'électron peut s'autodétacher tout en laissant la
Chapitre 1 - Introduction
molécule dans un état vibrationnellement et/ou électroniquement excité. Si cet état excité est dissociatif, la molécule se dissociera en fragments neutres ou une paire d'ions. Lorsque le temps de vie de la résonance est suffisamment long et que l'ion négatif transitoire est dissociatif, un ou des fragments neutres et un fragment chargé négativement peuvent être formés. Ce dernier canal est qualifié d'attachement dissociatif. L'ion transitoire peut également se stabiliser sous forme d'anion moléculaire en transférant un surplus d'énergie au milieu environnant. Finalement, si la résonance possède une énergie supérieure au potentiel d'ionisation de la molécule, l'émission de deux électrons est possible. Dans le cas où l'ion positif ainsi formé est instable, la molécule pourra se dissocier.
La formation d'une résonance présente donc de nombreux canaux de décroissance pouvant mener à la dissociation moléculaire. De plus, étant donné que dans un processus résonant l'électron réside dans l'entourage de la molécule pour un temps beaucoup plus long que pour un processus direct, les transferts d'énergie sont favorisés. Ainsi, la présence d'une résonance affecte considérablement les SEs menant à une excitation vibrationnelle ou électronique ou conduisant à la dissociation moléculaire. Les processus directs, favorisés à plus haute énergie, montrent généralement peu de dépendance ou une très lente variation avec l'énergie incidente. Contrairement, les processus résonants sont beaucoup plus spécifiques à une énergie donnée. C'est d'ailleurs un des moyens pour les identifier. De ces faits, l'étude de l'impact des EBE sur des molécules présente un intérêt afin d'identifier et quantifier les mécanismes résonants pouvant notamment mener à la :fragmentation moléculaire.
Une façon de comprendre la modulation des SEs dans les vibrations se fait de la façon suivante: La position d'équilibre des noyaux atomiques dans l'état anionique est modifiée si elle est comparée à leur position dans l'état électronique fondamental de la molécule neutre. Après l'autodétachement de l'électron excédentaire et pour un état anionique d'une durée de vie assez longue, les noyaux sont ramenés vers leur position d'équilibre d'origine, ce qui cause une excitation vibrationnelle.
Enfin, le temps de vie de la résonance dépend 1. du nombre de canaux de décroissance
2. de l'énergie de la résonance (plus l'énergie est basse plus le temps de vie est long)
3. de la symétrie de cette résonance
b) Processus non-résonants
Les processus non-résonants sont décrits par l'approximation du potentiel d'interaction électrodynamique agissant entre un électron et une molécule. Ce potentiel comprend plusieurs termes. Les termes électrostatiques dipolaires, quadrupolaires, etc, tiennent compte de l'interaction entre l'électron incident et la molécule non perturbée. Les termes dynamiques impliquent la polarisation induite de la molécule par l'électron incident [SANCHE, 1995; BASS et SANCHE, 2004]. Pour de petits transferts de quantité de mouvement (i.e. petit angle de diffusion et faible perte d'énergie par rapport à l'énergie de l'électron) le problème peut être résolu par l'approximation de Born au premier ordre. Si les vibrations de la molécule peuvent être modélisées par un oscillateur harmonique, la règle de
Chapitre 1 - Introduction
sélection optique tiv
=
1 s'applique pour les transitions vibrationnelles. Dans le cadre de cette approximation restrictive le terme dipolaire est dominant et l'électron se comporte comme une onde électromagnétique. Cette approximation est particulièrement valable à haute énergie (i.e. plusieurs centaine d'eVs).Dans le cas où ces conditions ne sont pas respectées (par exemple un grand angle de diffusion ou une énergie perdue comparable à l'énergie de l'électron incident), la contribution du terme dipolaire «optique» diminue et les termes quadrupolaires et subséquents deviennent non négligeables. Des interactions optiquement interdites comme l'excitation d'états triplets sont alors favorisées.
4. Les sections efficaces
Bien que chacune des étapes de la dégradation en énergie des radiations comprend des problèmes importants de physique et de chimie fondamentales, une compréhension profonde de la dynamique et des informations précises sur les probabilités d'interactions et sur le rendement des diverses espèces chimiques formées dans le processus primaire de l'étape physique sont nécessaires pour l'évaluation qualitative et quantitative des étapes subséquentes.
L'unité la plus fondamentale et la plus exportable pour les mesures de probabilité est la SE qui est généralement exprimée en cm2 par convention. La SE <YP de façon générale peut être définie comme étant la probabilité en unité de
surface par particule cible pour une particule incidente d'interagir dans un processus
p donné. Le processus p peut être un angle solide, un phonon, une vibration, un état électronique, la charge, un ion, une molécule formée ou disparue, etc. Plusieurs qualificatifs sont employés pour différencier ces différents types de SEs. La SE
totale est utilisés pour traiter de la probabilité que l'un ou l'autre des processus p se
produisent. Elle se traduit par la somme des probabilités
a
ror=
La
P de chacunp
des processus p. La SE différentielle est généralement comprise comme une SE par unité d'angle solide et à un angle donné. Ce terme est parfois utilisé pour des SEs par unité d'énergie. Par opposition, la SE intégrale spécifie que la SE différentielle a été sommée (intégrée) sur tous les angles. La notion de SE absolue est utilisée pour désigner que la probabilité est le résultat d'une seule interaction. Enfin, par opposition à la SE absolue, la SE effective est une probabilité pour un processus donné, mais ayant plusieurs mécanismes possibles.
Les SEs sont essentielles dans des modèles comme la simulation Monte Carlo ou les équations de Fowler pour prédire, par exemple, le nombre d'ions produits. En fait, si l'ensemble des SEs de toutes les molécules pour un milieu donné était connu, l'évolution de la déposition d'énergie et la transformation du milieu pourraient être suivies pas à pas pour une statistique de particule suffisamment grande.
Les SEs se sont déjà avérées très utile dans des simulations Monte Carlo [GOULET et JAY-GERIN, 1988; 1989; GOULET et al., 1990; PIMBLOTT et al. 1996] et dans des calculs analytiques [ISHII et al., 1990] de la thermalisation d'électrons de sous excitation dans l'eau. De tels calculs nécessitent cependant un ensemble exhaustif de SEs pour la molécule à étudier, ce qui est le cas pour l'eau [MICHAUD et al., 2003].
Les SEs s'obtiennent expérimentalement, et dans plusieurs cas, peuvent aussi être calculées. Malheureusement, dans les deux alternatives, les SEs sont
Chapitre 1 - Introduction
difficiles à obtenir. Des approximations tant au niveau expérimental que théorique doivent donc souvent être faites [BASS et SANCHE, 1998].
À haute énergie (généralement >200 eV), l'approximation de Born est utilisée à différents ordres pour calculer ces SEs [INOKUTI, 1971]. Des modèles plus élaborés ont descendu ce seuil pour les collisions élastiques à 50 eV [MOZEJKO et SANCHE, 2003]. En deçà de ce seuil, les approximations standards ne sont plus valables car les pertes d'énergies ne sont plus négligeables devant l'énergie de la particule incidente. De plus, même si la puissance des ordinateurs ne cesse d'augmenter, les calculs restent limités à des molécules d'au maximum une douzaine d'atomes [GIANTURCO et LUCCHESE, 1998; BETTEGA et al., 2000].
Ainsi sous la barre des 50 eV, les SEs doivent être déterminées expérimentalement.
À ces énergies, l'étude des SEs de diffusion des électrons sur
les atomes et les molécules est particulièrement importante étant donné la présence possible de résonances qui peuvent augmenter significativement ces SEs. De plus, la présence de résonances entraînent des modulations considérables dans ces SEs contrairement aux plus hautes énergies où les SEs sont plus monotones suivant 1' interaction dipolaire.Au-delà de l'utilisation directe des SEs, la détermination expérimentale des SEs est essentielle dans la validation des modèles théoriques. De plus, des études comparatives des SEs entre les phases gazeuses et condensées peuvent aider à élucider l'effet de la condensation sur la diffusion électron-atome/molécule et engendrer une méthode générale pour transférer les SEs de la phase gazeuse (qui s'obtiennent plus facilement à partir des mesures) en SEs pour la phase condensée.
Dans un contexte plus large, ces données peuvent s'avérer très utiles dans les domaines suivants: plasma, nanotechnologie, exobiologie, radiobiologie et la chimie de la haute atmosphère.
5. Dans le contexte radiobiologique (l'ADN).
Le milieu biologique ne fait pas exception à la discussion précédente et les EBE y sont libérés en très grand nombre suite au passage de la radiation. Dans le stade physico-chimique, les EBE interagissent avec le milieu pour produire des espèces chimiques extrêmement nocives aux cellules, notamment lorsque les EBE et/ou les espèces chimiques formées se retrouvent dans le noyau et interagissent avec l'ADN. En effet, il est bien connu en radiobiologie que la sensibilité d'une cellule aux radiations est fortement corrélée aux dommages induits dans son ADN, et que l'interaction de ces dernières avec l' ADN peut mener à la carcinogenèse, à la mutagenèse, ou à la mort cellulaire [WARD, 1977; SONNTAG, 1987; YAMAMOTO, 1976 ; FUCIARELLI et ZIMBRICK, 1995].
D'ailleurs, il a été récemment démontré que les électrons peuvent produire des cassures simples et doubles brins à l'ADN à des énergies aussi basses que 5 eV [BOUDAIFFA et al., 2000; HUELS et al. 2003] et ce seuil descend même à une énergie inférieure à 1 eV si seulement les cassures simples brins sont considérées [MARTIN et al., 2004]. Ces bris à des énergies incidentes de moins de 14 eV sont attribués à l'attachement de l'électron sur la molécule d'ADN (résonance) suivi par la rupture d'un lien localisé et des réactions subséquentes avec les produits de la fragmentation. Bien que l'événement initiateur soit identifié comme étant la formation d'un ion négatif transitoire sur une des composantes de la chaîne d'ADN
Chapitre 1 - Introduction
(base, sucre, phosphate ou hydratation OH) ou encore sur les molécules d'eau intégrées à la structure de l'ADN, l'importance relative des différents processus demeure encore méconnue.
Plusieurs études sur l'effet des EBE ont été effectuées récemment sur certains des constituants de l'ADN dont le THF, une molécule analogue au désoxyribose formant le brin del' ADN [ANTIC et al., 1999, 2000, LEP AGE et al., 1998, BRETON et al., 2004]. L'étude de cette molécule est très pertinente, sa fragmentation peut causer un bris de brin dans l' ADN. Les bases ont fait également l'objet de plusieurs études [ABDOUL-CARIME et al., 2000a; 200b; 2001; 2004; ABDOUL-CARIME et SANCHE, 2001; 2002; 2003; DUGAL et al., 1999, 2000; ABOUAF et al., 2003b]. L'étude des résonances dans ces dernières revêt également une importance particulière et peut jouer un rôle dans les cassures de brins. L'électron qui s'attache sur une des bases peut migrer sur le brin et causer le bris de ce dernier [MARTIN et al., 2004; BERDYS et al., 2004; LI et al., 2004]. L'ion négatif transitoire peut aussi plus simplement décroître dans un canal menant à la dissociation de la base.
À
basse énergie (<2eV), le canal dissociatif préférentiel semble être la déshydrogénation des bases nucléiques [ABOUAF et al., 2003b]. De plus, il a été démontré sur la thymine que cette déshydrogénation provient principalement du bris du lien N-H plutôt que du lien C-H [ABDOUL-CARIME et al., 2004]. Toujours selon ABDOUL-CARIME et al (2004), ce fait est très important, car les bases sont attachées au brin par un lien N-C en opposition au lien N-H dans la molécule isolée. Comme le lien N-C est plus faible, le détachement de la base est supposé être encore plus favorable que la déshydrogénation de la molécule isolée. Cependant l'explication de ce dernier phénomène pourrait être pluscomplexe si on tient compte de la présence d'un état dissociatif menant à un processus de prédissociation. Indépendamment du mécanisme véritable, les détachements de base surtout si ils sont rapprochés, ont un caractère très mutagène [WARD et al., 1995].
Un autre intérêt de l'étude spectroscopique des bases ainsi que de leurs SEs est de comprendre la diffusion des électrons et leurs distributions spatiales et énergétiques dans la cellule et principalement dans le noyau cellulaire. Le but ultime est donc de comprendre l'effet des EBE sur l' ADN. Cependant, le problème ne requiert pas dans un premier temps l'étude de l'interaction des EBE avec la double hélice dans son ensemble. Considérant les distances entre les différentes bases dans l' ADN, les résonances et les excitations vibrationnelles et électroniques sont majoritairement des phénomènes locaux et le problème se limite dans une première approche à l'étude des sous unités de la biomolécule (i.e. bases, sucre et groupement phospate). Par la suite, les différentes SEs inélastiques obtenues et SE élastique incluant la diffraction des électrons sur la structure quasi périodique de la double hélice [CARON et SANCHE, 2003; 2004], pourront être utilisées dans des modèles plus globaux.
B. Position du problème
1. Le projet de recherche
La présente thèse a pour but d'amener des informations supplémentaires afin de mieux comprendre l'étape physico-chimique de la radiobiologie et d'apporter des valeurs quantitatives aux processus de transfert d'énergie par les EBE. Pour l'étude des bases, pour des raisons expérimentales, la phase condensée est choisie pour
Chapitre 1 - Introduction
représenter le milieu biologique car elle est plus près de la phase liquide que la phase gazeuse. Ce choix est encore plus justifié en considérant que les bases sont des constituants d'un cristal ( i.e. l' ADN ).
Dans un premier temps le projet de recherche consiste à étudier les pertes d'énergie d'électrons aux excitations électroniques et vibrationnelles d'une des bases de l'ADN (la thymine) en phase condensée en utilisant la spectroscopie électronique à haute résolution (HREEL). Dans un deuxième temps de mesurer des SEs absolues de molécules analogues à celles composant la chaîne d'ADN notamment la molécule pyrimidine représentant les bases. Pour ce faire, ces molécules sont déposées sous forme de couches très minces dans un système à hypervide sur une tête cryogénique et sont bombardées par une source EBE monocinétiques ayant des énergies de l'ordre de celles des électrons secondaires (0-20eV). Les électrons diffusés par la cible sont ensuite analysés en fonction de leur énergie perdue. L'appareil utilisé est un spectromètre d'électron de type condensateur hémisphérique EEL capable d'une résolution de l'ordre de 10 meV et muni de lentilles à double zoom à la sortie du monochomateur et à l'entrée de l'analyseur. Les doubles zooms permettent d'avoir un courant incident presque constant sur une large gamme d'énergie au niveau de l'aire vue par l'analyseur à la surface de l'échantillon [HARTING et READ, 1976]. Cette caractéristique, très importante, permet de calibrer le courant incident (qui est nécessaire dans la détermination des SEs) à une seule énergie. Le lecteur voulant plus de détails sur ce type de spectromètre pourra consulter le mémoire de Martin Lepage [LEPAGE, 1994].
Malgré le grand intérêt que suscite l'étude de l'impact des EBE sur des bases de l'ADN, très peu de données existent à ce jour autant en phase solide que gazeuse.
En fait, il existe dans la littérature seulement trois études expérimentales de spectrométrie électronique sur les bases de l' ADN. La plus ancienne [ISAACSON, 1972] mesure les SEs des états électroniques des bases ATU dans la phase condensée sur un substrat de carbone avec des électrons de 25 ke V. La seconde étude [DILLON et al., 1989] est réalisée à une énergie intermédiaire de 200 eV, en phase gazeuse cette fois, sur les états électroniques de l'adénine. À ces énergies, ce sont les transitions électroniques permises optiquement qui dominent dans les spectres d'énergie perdues des molécules. L'étude la plus récente [ABOUAF et al., 2003a] mesure les états électroniques et vibrationnels de la thymine en phase gazeuse en fonction de l'angle et pour des énergies entre 2 et 90 eV. Le peu de nombre de travaux s'explique principalement par les difficultés techniques imposées par la faible pression de vapeur des bases de l' ADN. Pour les expériences en phase gazeuse, comme leur pression de vapeur est très faible, les molécules se déposent sur les hémisphères et les lentilles du spectromètre, engendrent des effets de charge, et ainsi nuisent à son bon fonctionnement. Un nettoyage complet est nécessaire après quelques jours de fonctionnement même si l'appareil est chauffé [ABOUAF et al., 2003b]. Pour les expériences en phase condensée, la pression de vapeur des bases de l' ADN est insuffisante,
à température ambiante, pour déposer les bases par
les voies conventionnelles (entrée des gaz) [voir Article 11.B.2]. De plus, la sensibilité du spectromètre à la position de la cible ne permetterait pas de comparer les mesures entre différentes dépositions d'un système de déposition externe.Le choix de commencer l'étude des bases par la thymine est principalement justifié par le fait que c'est la base de l' ADN qui a la plus basse température de
Chapitre 2.
Pré-discussion et liens entre les articles
Le projet de recherche est divisé en trois grandes étapes. La première étape est la conception, la construction, et le couplage au spectromètre d'électrons existant d'un système de purification et de sublimation pour la préparation in situ de minces films de substances solides. La seconde étape est le développement d'une technique pour mesurer les SEs absolues pour des molécules déposées en couches minces. Enfin, la dernière étape est l'étude des niveaux d'excitations des molécules et de leurs SEs. Cette étape commande aussi le développement d'un modèle pour calibrer la densité de surface des molécules.A. Système de déposition de solides moléculaires (Article 1)
Au départ, le système HREEL ne comprenait qu'une rampe d'introduction des gaz où seulement des gaz ou des liquides qui ont une grande pression de vapeur pouvaient être introduits dans le système. Un nouveau système de déposition devait être construit dans l'optique de faire de la spectroscopie électronique sur les bases de l' ADN, ou autres solides moléculaires. Le système devait avoir les caractéristiques suivantes : être en mesure à la fois de déposer de façon contrôlée des couches minces (quelques monocouches) de substances solides; protéger le spectromètre d'électrons lors de la déposition et du nettoyage de la cible; purifier le produit de ses contaminants (H20, solvants, ... );avoir une puissance radiative faible afin de ne pas désorber les substances déjà présentes sur la cible (par exemple l'argon); et enfin tenir compte des contraintes spatiales imposées par la
configuration du spectromètre existant. Comme aucun système commercial existant ne rencontrait ces exigences, nous avons dû en concevoir et construire un.
La solution retenue est un double cycle de sublimation et déposition. Dans un premier temps, une sublimation est faite à partir d'un four primaire situé dans une chambre annexe à la chambre principale et contenant la substance à étudier, devant un doigt de céramique. Cette opération, faite avec le doigt à température ambiante, sert à purifier la substance de ses solvants et à contrôler par le temps ou la température, quantité de la substance déposée. Dans un second temps, le doigt de céramique est amené face à la cible et son contenu sublimé. Un cône entourant le doigt de céramique sert à protéger le spectromètre des substances ainsi sublimées. Le même cône est replacé devant la cible lors du nettoyage pour récupérer le matériel dégradé et ainsi éviter la contamination du spectromètre. La description du système de déposition est faite dans l' Article 1 et l'ensemble des plans est présenté en Annexe A. De plus, dans le but d'améliorer la stabilité en température et donc la reproductibilité des dépositions, un contrôleur de température a également été conçu et est décrit en Annexe B
B. Détermination des SEs d'excitations de molécules par impact
électronique en phase condensée (Article Il)
La seconde étape est le développement une nouvelle technique pour mesurer les SEs de molécules déposées en film mince. Une méthode utilisant la relation entre l'épaisseur d'un film d'une substance déposée sur un substrat métallique et sa réflectivité pour la diffusion élastique d'électron a été mise au point pour déterminer des SEs totales de diffusion [MICHAUD et SANCHE, 1987a]. Ces données ont, par la suite, été utilisées pour calibrer en intensité les spectres d'énergie perdue et
Chapitre 2 - Pré-discussion et liens entre les articles - -- -- --- --
----extraire des SEs absolues d'excitations vibrationnelles [MICHAUD et SANCHE, 1987b] en utilisant une analyse de collisions multiples limitée à deux flux. Bien que cette méthode ait fait ses preuves, il est difficile de l'appliquer pour des molécules comme la pyrimidine ou la thymine qui étaient suspectées de se charger très rapidement car leurs affinités électroniques est près de 0 ou légèrement positive [NENNER et SCHULZ, 1975; WESOLOWSKI et al., 2001]. Cette suspicion s'est confirmée, la thymine se charge sous impact électronique de plusieurs Volts en quelques secondes pour des films de 3-4 monocouches et un courant incident de O. 7 nA. Une façon de minimiser ce phénomène de chargement est d'utiliser des couches minces. Pour ne pas avoir des effets indésirables attribués à la proximité du substrat métallique, un film inerte est déposé au préalable sur ce dernier à titre de séparateur.. Pour nos expériences, l'argon a été choisi car il offre une large plage d'énergie (i.e., ~ 12 eV) en deçà de son premier seuil d'excitation électronique à
11.7 eV. Nous avons donc opté pour une approximation de couches minces dans l'élaboration de la technique de mesure de SE.
Dans une première approche, nous avons choisi la pyrimidine, qui est analogue à la cytosine et la thymine dans l'ADN et à l'uracile dans l'ARN, comme prototype pour développer la méthode pour extraire les SEs de diffusion des électrons sur ces bases. Puisque cette molécule est en phase liquide sous conditions normales et que sa pression de vapeur est suffisante, nous pouvons effectuer la déposition avec notre technique conventionnelle. Ceci facilite la préparation des films et le contrôle de leurs épaisseurs.
Dans le but de faciliter la compréhension de la méthode pour extraire les SEs pour le lecteur, les grandes étapes sont résumées ici. Toute la procédure pour
extraire la SE est basée sur la formule suivante provenant du modèle développé dans l' Article II. Dans des conditions de couche mince et de collision simple la SE intégrée a;.(E0, E - Eo) par unité d'énergie pour un électron d'énergie Eo de perdre une énergie E - E0 dans le film est simplement :
Donc, pour extraire la SE a;.(E0, E - E0), il suffit de diviser un spectre d'énergie perdue 1( Op, rpP, E0, E - Eo) par le courant incident différentiel effectif 10( Op,
qp,
E0)et la densité de surface nsL du film déposé. Les quantités L et ns sont l'épaisseur
(i.e., nombre de monocouches) et la densité de surface par monocouche du film déposé, respectivement. La direction du faisceau incident est définie avec l'angle polaire
Bo
tandis que la direction de diffusion est définie avec les angles polaire8p
et azimutal rpp par rapport à la normale entrante de la surface du film. Le courant 10( Op,rpp, Eo) peut être compris comme étant la portion des électrons incidents qui seraient diffusés dans l'angle solide spécifique (Op,
qp)
de l'analyseur par un milieu idéal dont le coefficient de réflexion est égal à un (i.e. tous les électrons sont réfléchis à l'extérieur du film) tout en respectant la distribution angulaire du milieu diffusant. La SE pour une perte d'énergie donnée est trouvée en intégrant le signal sous la distribution correspondant à cette perte. La contribution due au séparateur d'argon est tenue en compte en soustrayant un signal de fond. Dans le cas où un électron est diffusé vers l'avant ou vers l'arrière avec la même probabilité cette valeur de SEChapitre 2 - Pré-discussion et liens entre les articles
- -
---L' Article II est divisé en trois principales sections : la première section concerne le développement du modèle résumé ci-dessus, la seconde section consiste en l'analyse spectroscopique des états électroniques et vibrationnels de la pyrimidine et la dernière section présente leurs SEs d'excitation par impact électronique.
C.
Détermination des SEs d'excitations de la thymine par impactélectronique(Articles Ill et IV)
La dernière étape du projet de recherche est d'appliquer la méthode développée dans l'article II pour mesurer des SEs sur une des bases de l'ADN. La thymine a été choisie car c'est la molécule dont la température de sublimation est la plus basse des 4 bases, ce qui facilite sa déposition.
L'article III concerne l'étude des états vibrationnelles de la thymine et la détermination de leurs SEs d'excitation par impact électronique. Une procédure pour mesurer le recouvrement de la surface du séparateur d'argon par les molécules déposées y est également décrite. Dans cette technique, l'atténuation du faisceau spéculaire est utilisée pour déterminer directement le recouvrement moléculaire qui peut ensuite être exprimé en nombre de monocouches
«
L».
Dans l'Article IV, l'étude est prolongée aux états électroniques de la thymine et à la détermination de leurs SEs d'excitation par impact électronique.Nous trouvons dans les pages suivantes les articles concernant ces différentes études. Il faut noter que la méthode expérimentale, les résultats ainsi qu'une discussion et une conclusion spécifique à chaque article y sont inclus. La discussion de la présente thèse se concentre donc sur des éléments qui n'ont pas été
discutés en détail et sur la comparaison entre la pyrimidine et la thymine. Enfin une conclusion générale qui résume l'ensemble des travaux et qui les situe dans une perspective plus globale est présentée.
Chapitre 3.
Article 1
Double sublimation system to deposit molecules from solid
organic compounds onto a cryogenic substrate: Thymine on
solid argon
P. L. Levesque, M. Michaud, et L. SancheDouble sublimation system to deposit molecules from solid
organic compounds onto a cryogenic substrate: Thymine on
solid argon
P. L. Levesque, M. Michaud and L. Sanche t
Groupe en Science des Radiations, Département de Médecine Nucléaire et Radiobiologie, Faculté de Médecine, Université de Sherbrooke, Sherbrooke
Quéhec, Canada JI H 5N4
Abstract
We report on the design, operation, and performance of a double sublimation system for the deposition of submonolayer up to few-layer of a low-vapor pressure molecular solid compound onto a cryogenic substrate. The system consists of a prirnary oven (i.e., crucible type) to degas and first sublimate the compound onto the tip of a secondary oven (i.e., finger type), which is then used to transport the purified compound inside an analysis chamber and sublirnate it just in front of the cryogernc substrate. The latter is kept at exactly the sarne position ail the time, which is essential for experirnents sensitive to target position. Besides, the negligible radiant heat transfer from the tip of the secondary oven allows operation in presence of a cryogenic substrate consisting of an inert gas solid. The overall performance of the system is studied by EEL spectroscopy for thymine deposited onto a multilayer film of Ar used as an inert cryogenic substrate.
Chapitre 3 - Article I - Soumis
A. Introduction
There is an increasing interest to study large orgamc molecules (e.g., phtalocyanines) and biomo lecules ( e.g., DNA bases, nucleosides, nucleotides, and amino acids) physisorbed or chemisorbed on a surface at cryogenic temperature.1. 2 These molecular compounds are usually solid at room temperature and have very low-vapor pressures typically well below 10-11 TolT. Many designs of evaporation or sublimation system are available in the literature for various applications under ultra high vacuum (UHV) conditions. Most of them have been designed for metal evaporation, 3 epitaxial growth,4
· 5 and atomic deposition. 6 Biomolecules, such as DNA bases, have been generally deposited on various metals and metal oxide substrates by evaporation from Knudsen ce Ils. 7' 8 What is common to ail of these systems is that they rely on a single primary sublimation of a compound in front of a host substrate. The latter generally needs to be transferred, rotated, or else moved from its original position toward a preparation chamber and then back.9
In order to sublimate large organic or biological rnolecules, the corresponding solid compounds must generally be heated to an elevated temperature but not too high so as to avoid molecular decomposition. Yet, the solvents involved in the synthesis of these molecules may still be present in the bulk of the solids. Also, polar molecules are well known to maintain a certain degree of hydration, which in the case of dry DNA may amount to about two water molecules per base pair.10 Therefore, sublimating such solid compounds directly in front of a cryogenic
substrate is most likely to make molecular deposits contaminated by the volatile impurities being released upon heating. Furthermore, in a vacuum system, it exists
various rcsidual partial pressure of gascs ( c.g., air) that may condense during the course of an experiment. While the latter source contamination is readily minimized by working under UHV condition (i.e., < 10-10 Torr) during a limited amount of time, the former one will be shown to be eliminated by using a double sublimation procedure. An approach akin to this has already been proved to be useful to discriminate against various solvent impurities in studying thin solid film of large aromatic hydrocarbon molecules deposited on thin solid films of Ar.11
ln principle, reproducibility in a measurement is better achieved when the low-vapor pressure compound can be condensed or deposited without moving the host substrate. Besicles, the compound must not be allowed to migrate away on the measuring instruments and ail over in the analysis chamber. Both of these requirements can be fulfilled by a sublimation system that can be moved close to a fixed substrate and back, thus offering very efficient and confined depositions. In practice, this calls for a compact system able to operate without hindrance in an analysis chamber and which develops a low radiant heating especially when the substrate consists of an inert gas sol id film.
There is still a need for a design incorporating all the above criteria, especially regarding the deposition without contamination and the measurement reproducibility. We describe here the construction and operation of a double sublimation system to deposit submonolayer up to few layers of molecules from low-vapor pressure compounds onto a cryogenic substrate. The proposed system consists essentially of two parts: a primary oven to degas and make a first sublimation of the compound onto a secondary oven that is then used to transport the purified compound in an analysis chamber and make a second sublimation just
Chapitre 3 - Article I Soumis
in front of the cryogenic substrate. The latter, which may consist of a multilaycr film of Ar (i.e., inert spacer) grown on a Pt substrate held at 18 K, is maintained at exactly the same position during ail the time and for many repctitive depositions. The sublimation system is presented coupled to our existing electron-energy Joss (EEL) apparatus. The operation of the primary and secondary ovens are analyzed separately and their overall performances studied by EEL spectroscopy for thymine deposited on top of the Ar spacer.
B. Design
An ovcrview of the double sublimation system is shown in Fig.1 along with the analysis chamber. lt consists csscntially of a primary oven (A) (i.e., crucible type) houscd a first load-lock chamber and which can be translated just in front a secondary oven (B) (i.e., finger type) inside a second Joad-Iock chamber. The whole sublimation system, which is bakeable to a temperature of 150 °C, is maintained at a base pressure of about 5 x 10-10 Torr by a 56 l /sec turbomolecular pump (C). The
purposed of the primary oven A is to degas and purify a low-vapor pressure compound by sublimation-condensation onto the tip of the secondary oven B. The secondary oven B, whose tip only can be heated, is used to transfer and sublimate the purified compound either in proximity of a 0-200 AMU residual gas analyzer (RGA) in the second load-lock chamber or just in front of a cryogenic substrate in the analysis chamber. The cryogenic substrate consists here of a platinum (Pt) foi! maintained at a temperature of about 18 K by mechanical contact to a closed-cycle helium refrigerator. Thus such a sublimation system introduces into the analysis
chamber just a tiny amount of material n cessary to make submonolayer up to few-layer of mo lecules on the cryogenic substrate. Also, to prevent po sible decompos ition of a compound a well a to ru le out any insidious effect due to the metal surface, a multilayer film of Ar (99.9995% Matheson of Canada Ltd.) may be used as an inert spacer.
83 ~ 84
(8ackward) RGA
Fig. 1. chematic diagram of the double ublimation system; A - primary oven,
Al ceramic crucible, A2 copper block, A3 tungsten fil aments, A4 stainle steel wires, AS multibore ceramic rod, A6 fish spine bead, A7 stainle sstee l tube, A8 electrical feedthrough, A9 linear translator, A 10 -copper funnel , A 11 - 6-way cross chamber, B - secondary oven, B l - ceramic finger, 82 - rungsten filament, 83 - multibore ceramic rod, 84 - 304 stainless-steel rod, B5 - rotary drive, 8 6 - acu-port, B7 - linear tran lator, 8 8 - optiona l conical hield, C turbomolecular pump, D gate va lve, E gate valve, RGA -residual gas ana lyzer, EELS - electron-energy-lo pectrometer, Pt - platinum substrate at cryogenic temperature.
Chapitre 3 - Article I - Soumis
The present analysis chamber houses an EEL spectrometer (EELS) consisting of two hemispherical electrostatic detlectors: a monochromator, which can be ratated from 14° to 70° from the normal to the sample, and an analyzer fixed at 45° at the opposite azimuth, as described in detail elsewhere. 12
The primary and secondary avens were designed mostly with commercial parts (i.e., crucible, finger, and multibore ceramic rads) al! made of high purity alumina (Ah03) ceramic from Alfa Aesar. Besides these parts needed to be modified only slightly from their original shapes and dimensions. Ceramic offers chemical stability at high temperatures, good thermal conductivity as well as electrical insulation. Ail materials and other parts entering into the whole assembly are compatible with UHV conditions.
1. Primary oven construction
The primary aven A is built araund a 8-mm outside diameter ceram1c crucible (Al). The latter is press fitted into a black (A2) made of copper and having a conical shaped base. The copper black A2 is heated internally by two incandescent 10-mm length tungsten filaments (A3). The filaments A3 are spot-weldcd to two pairs of 304 stainless-steel wires (A4) passing through a multibore ceramic rad
(AS). A fish spine bead (A6) is used to reduce the aperture size of the crucible A 1
down to a diameter of 2.5 mm and prevents also the lost of the fine powdered sample. The copper assembly is held by a thin 304 stainless-steel tube (A 7) fixed to an electrical feedthrough (A8), which is mounted on a 15-cm linear translator (A9) from McAllister. The tungsten filaments A3 are heated by highly regulated OC power supplies from Kepco. The temperature of the copper block A2 is monitored
by a chromel-alumel thermocouple. The conical shape at the base of the copper block A2 allows to cool quickly the primary oven A and thus stop promptly the sublimation when pushed against a mating copper funnel (Al 0). The latter, which serves as a large thermal sink, is press-fitted inside a port of a 6-way cross chamber (Al 1) by means of a pipe thread type screw making the radius of the funnel to en large.
2.
Secondary aven constructionThe secondary oven 8 consists of a hollow ceramic finger (81) eut from a 4-mm outside diameter ceramic crncible. The original hemispherical closed end was machined fiat and very thin over a diameter of 2 mm so as to allow quick temperature rises upon heating from inside with a 15-mm length tungsten filament (82). The hollow finger 8 l is fitted over a 2-mm outside diameter ceramic rod (83). The latter has two bores allowing to pass stainless-steel power wires onto which the filament 82 is spot welded. The ceramic rod 83 is inserted into a drilled 304 stainless-steel rod (84) of 6.4-mm outside diameter and locked in place by two 0-80 screws (not shown). The stainless-steel rod 84 is coupled to an extended rotary drive (85) from Vacuum Generators. The latter, which is equipped with an acu-port (86) from Huntington Lab., is mounted on a 40-cm linear translator (87) from McAllister. The secondary oven B can thus be aligned within the second Joad-Iock chamber to collect the sublimating compound from the primary oven A, and further be translated inside the analysis chamber where it is positioned near the cryogenic substrate. An optional conical shield (88), which is appended to the tip of the oven,
Chapitre 3 - Article 1 - Soumis
prevents the low-vapor pressure compounds to sublirnate away onto the mcasuring instruments during their deposition on the substrate or rernoval frorn it.
C. Operation
1. Primary oven
The compound, which may be in the form of a fine powder in its bulk state, is initially introduced into the ceramic crucible A 1 of the primary oven A and inserted 111 the first load-lock chamber. The gate valve (D) is kept closed
throughout this operation to confine the atmospheric pressure only within the first Joad-Iock chamber. Otherwise, the gate valve D is opened to allow pumping down via the second Joad-Iock chamber as well as during sample heating. The compound is first degassed in the first Joad-Iock chamber at a temperature well below the sublimation onset during several hours. The oven is then translated into the second load-lock chamber where the crucible Al is aligned axially at about 2 mm from the tip of the finger Bl. The latter may be held at room temperature or just below the sublimation onset of the compound. The temperature is risen fürther at a sufficiently high value to enable the compound to sublimate but not too much so as to avoid its decomposition. After few minutes, the oven is cooled down quickly by making a good mechanical contact with the matting funnel Alü so as to stop promptly the sublimation and finally moved back inside the first load-lock chamber. This first step is essential to make the compound on the finger tip completely free from the volatile impurities that are normally present in the bulk state. Moreover, it allows to
contrai and limit to a minimum the number of molecules from the low-vapor pressure compound to be eventually deposited onto the cryogenic substrate.
Typical temperature changes of the primary oven A, as monitored on the copper block A2, are shown as a fonction of time (t) in Fig.2. In Fig. 2(a), the oven is heated from room temperature at t
=
0 min to 1 OO °C in Jess than 5 min with 6 A (i.e., 15 °C/min) passing through the filaments.140
120
100
80 60û
040
w
a::
::::>~
w
Il..:E
w
1-20
140
120
100 80 6040
20
4.5A OA(a)
i i
Funnel contactr/
6v
L,--OA [ 2A+
i
4ABr . ., ___ ,_
(b)
0 5 10 1520
TIME {min)Fig. 2. Temperature of the pnmary oven A as a fonction of time. (a) The tcmperaturc riscs from 25 to 1 OO °C in less than 5 min with 6 A and is maintained at about this value during another 5 min by lowering the current to 4.5 A. At 10 min the current is turned off and the oven cooled down quickly to
